1、作品名称
水热型地热开发及其梯级利用作品展示
2、作品分类
人居环境设计
3、作品描述
一、作品名称 水热型地热能开发及其梯级利用展示 二、研究背景 我国是地热资源大国，据国土资源部和中国地质调查局数据显示，我国水热型地热资源总量（折合标准煤）1.25万亿t，每年可采量（折合标准煤）18.65亿t，其中，中低温地热资源总量（折合标准煤）18.5亿t，可见水热型地热开发利用的资源潜力巨大。 党的十九大报告提出“推进绿色发展，壮大环保、清洁生产、清洁能源产业”，近年来山东省采取多项措施，贯彻落实“321”国土资源科技创新工程，服务全省新旧动能转换和乡村振兴战略，持续推进利用浅层地温能调查评价与开发利用工作。 目前水热型地热能开发项目已在全国不同区域内推广，取得了显著的社会效益、经济效益及节能效益。据2019年山东省地矿局研究表示，山东省水热型地热资源量1.21*1018千焦，折合标准煤413亿吨，截至2018年底全省已建成浅层地热资源项目1000余处。目前的梯级利用主要三个梯次：第一梯次地热水从开采井抽出,进入地热电站，为用户提供电力；第二梯次地热水用于供暖或制冷；第三梯次地热水的用于洗浴、理疗梯级利用后回灌。地热井产出的热水温度决定了地热能利用的梯次，对于中高温地热水，可先用于发电梯次；而对于中低温地热水，通常直接利用供暖梯次或者下一梯次。 三、系统结构 本作品由水热型地热能梯级利用系统和智能分流系统组成。首先展示的是水热型地热能的间接式利用，即为了避免地热水对梯级利用系统与设备的腐蚀，利用热交换器将地热水的热能传递到梯级利用系统内的循环工质，循环工质完成地热发电、制冷、供暖等过程。其中水热型地热能梯级利用系统有三个梯次，一是地热发电系统，二是地热供暖、制冷系统，三是地热水的其他利用系统。 3.1地热发电系统 地热发电是指利用地下热水为动力源，利用蒸汽的热能推动汽轮发电机组发电的一种新型发电技术。本作品充分考虑发电余热水的利用，将发电后的余热水继续梯级利用于后续的地热供暖、制冷等系统，经过一个周期的利用在温度达标后经由回灌井回灌到地下。 本作品展示的是双循环地热发电系统，如图2所示。双循环地热发电系统与我们的水热型地热能间接式利用相匹配。与常用的闪蒸地热发电系统相比，双循环地热发电系统具有一下优点： （1）沸点工质的蒸汽比容比闪蒸系统减压扩容后的蒸汽比容小得多，双循环发电系统的管道和汽轮机尺寸都十分紧凑，而且造价低。 （2）地下热水与低沸点工质在蒸发器内是间接换热，地热水并不直接参加热力过程， 所以汽轮机内避免了地热水中气、固杂质所导致的腐蚀问题。 （3）可以适应各种不同化学类型的地下热水。 （4）能利用温度较低的地热水。 （5）由于热水从地热井抽出一直到回灌地下始终处于压力之下，因而水中的结垢组分不会析出，从而避免了井管及管道系统中的结垢。 （6）地热水中的不凝气体随地热水回到地下，避免了对大气的污染。 3.2地热供暖、制冷系统 地热供暖是以地热能为主要热源对系统中建筑群（如医院、工厂等）进行供暖，在供暖的同时满足生活热水以及工农业生产用热的要求；制冷系统是以地热热源提供的热能为动力，驱动吸收式制冷设备制冷的技术。对于地热制冷系统，本作品展示的是基于ORC（有机朗肯循环）和VCR（蒸汽压缩制冷循环）的制冷系统，如图3、图4所示，该系统具有性能可靠、结构简单、环保节能等多种优点，使得地热水在制冷系统中能得到充分的利用。 3.3地热水的其他利用系统 地热水的其他利用是对梯级利用后的低温地热水和温度较低的浅层地热水进行利用，可以用作温泉疗养、绿地灌溉、水产养殖等方面。 3.4智能分流系统 地热梯级利用系统往往面临着开采所得地热水温度不能达到发电、制冷等其他功能的问题，一味地按照梯级利用系统流程进行地热水的循环只会造成热量的损失。为此，我们团队开发了地热水智能分流系统，通过单片机技术及三通管特性，实现根据地热水温度进行分流操作，控制不同温度的地热水进入与之对应的地热梯级利用系统，使地热水按条件真正地实现充分利用，如图6、图7所示。 四、工作原理 4.1水热型地热能开发及其梯级利用系统运行简介 首先通过潜水泵等地热水提升装置将地热水提升至地面智能分流系统处，根据地热水的温度，将不同温度的地热水分流至不同利用系统，进行分批次利用。本文以温度较高的地热水从地热发电系统开始为例，首先地热水通过提升装置提升到地面，通过温度传感器检测符合地热发电的要求，智能分流系统工作将地热水分流至双循环地热发电系统，将热能传递给发电系统内的循环工质，循环工质推动汽轮发电机组发电；然后发电后的地热水经温度传感器测温，若其达到地热供暖、地热制冷的要求，智能分流系统工作将其分流至地热供暖系统或地热制冷系统；进行供暖或制冷后的地热水经温度传感器测温，若温度达到绿地灌溉、水产养殖等的要求，智能分流系统工作将其分流至地热水其他利用系统，待地热水温度到达回灌要求时，智能分流系统工作将地热水分流至回灌井进行回灌。 4.2水热型地热能开发及其梯级利用系统运行演示 利用Cinema -4D对水热型地热开发及其梯级利用进行三维建模，并使用Cinema -4D的渲染器进行动效渲染。 五、特色创新 本作品基于地热能多级利用的思想，结合当前先进的技术及地热资源利用手段，充分思考了当前地热利用工程中所遇到的种种难题，设计了与智能分流系统相结合的地热梯级利用系统。 首先，本作品是地热能的间接式利用，地热水不直接进入地热能利用设备，将热能传递给梯级利用系统内的循环工质，由循环工质去驱动地热能利用设备工作，这种方式避免了地热水对工作设备的腐蚀，有利于提高地热能利用设备的使用寿命。其中，发电系统采用采用双循环式地热发电、制冷系统采用基于ORC（有机朗肯循环）和VCR（蒸汽压缩制冷循环）的制冷系统，相比于传统的地热发电、地热制冷具有高效利用、科学环保等特点。同时，本作品设计的智能分流系统，巧妙地利用单片机技术及三通管特性，根据地热水地温度进行分流操作，控制不同温度的地热水进入与之对应的地热梯级利用系统，梯级利用系统结合智能分流系统，可以节约稀少的高温地热水资源，在地热能开发过程中结合多井混合、高低温联合开采，实现高温地热水的长期高效利用，提高地热资源的循环利用效率，实现高效的梯级利用。 参考文献 [1] 王贵玲,蔺文静.我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式[J].地质学报,2020,94(07):1923-1937. [2] 雷宏武. 增强型地热系统（EGS）中热能开发力学耦合水热过程分析[D].吉林大学,2014. [3] C. Rubio-Maya,V.M. Ambríz Díaz,E. Pastor Martínez,J.M. Belman-Flores. Cascade utilization of low and medium enthalpy geothermal resources − A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,52. [4]尹富庚.低温地热能梯级利用供暖系统研究[D].北京：北京工业大学，2003.7~8. [5]丁永昌.中深层地热能梯级利用系统优化研究[D].济南：山东建筑大学，2016.1~4. [6]雷欢,杨金福,唐长亮,韩东江.结合ORC和VCR的中温余热回收系统性能分析[J].热能动力工程,2017,32(01):7-12+117-118. [7]武亚丽,狄育慧,姜辉.北京市某农艺园地热温室供热系统节能改造[J].制冷与空调(四川),2016,30(06):696-699+711. [8]胡冰,马伟斌.基于有机朗肯循环的低温地热制冷系统热力学分析[J].新能源进展,2014,2(02):122-128. [9]雷欢,杨金福,唐长亮,韩东江.结合ORC和VCR的中温余热回收系统性能分析[J].热能动力工程,2017,32(01):7-12+117-118.
4、创意来源
我国是地热资源大国，据国土资源部和中国地质调查局数据显示，我国水热型地热资源总量（折合标准煤）1.25万亿t，每年可采量（折合标准煤）18.65亿t，其中，中低温地热资源总量（折合标准煤）18.5亿t，可见水热型地热开发利用的资源潜力巨大，对现代人生活居住环境有重要影响。 党的十九大报告提出“推进绿色发展，壮大环保、清洁生产、清洁能源产业”，近年来山东省采取多项措施，贯彻落实“321”国土资源科技创新工程，服务全省新旧动能转换和乡村振兴战略，持续推进利用浅层地温能调查评价与开发利用工作。 目前水热型地热能开发项目已在全国不同区域内推广，取得了显著的社会效益、经济效益及节能效益。据2019年山东省地矿局研究表示，山东省水热型地热资源量1.21*10^18千焦，折合标准煤413亿吨，截至2018年底全省已建成浅层地热资源项目1000余处。目前的梯级利用主要三个梯次：第一梯次地热水从开采井抽出,进入地热电站，为用户提供电力；第二梯次地热水用于供暖或制冷；第三梯次地热水的用于洗浴、理疗梯级利用后回灌。地热井产出的热水温度决定了地热能利用的梯次，对于中高温地热水，可先用于发电梯次；而对于中低温地热水，通常直接利用供暖梯次或者下一梯次。 本作品基于山东省大学生立项研究项目：水热型地热能开发动态及梯级利用模式研究。本作品基于“产热匹配、梯级利用”的思想，首先针对鲁北地区的地热储层地质及开发资料，构建地热开采数学模型，研究该地区地热井的产热动态；然后，构建不同的地热能梯级利用模式，并研究不同梯级利用模式对应的温度界限，建立地热能利用效率优化模型；最后，将地热能生产动态与利用效率模型相结合，优化鲁北地区的地热能梯级利用模式，提高地热能的利用效率。基于此首先使用热储法计算该地层地热资源可采量，得出地热流体可采量和地热田产能，根据实时地层条件确定开发参数-井距与热突破时间及单井最大回注量，根据井筒内紊流控制方程和热传导方程借助COMSOL软件计算井筒内的热能损失，然后根据地热水的水量、水温等指标选择合适的梯级利用系统，水温到达计算所得的指标，利用三通，将水导入至相对应的区块，计算流经此区块的热耗，待水温达到合适的温度时，回灌入地下，回灌时分析裂隙与基岩的热交换，分析物理场、温度场、压力场的多场耦合，计算出回灌水重新被抽出利用时的平衡温度，循环利用。 本作品主要展示在地热田产热动态数学模型建立后的与智能分流系统结合的梯级利用系统，由于产热是动态变化的，所以构建的梯级利用系统和智能分流系统会根据地热水的温度进行合适地选择，以达到地热水最高地利用效率。本作品主要展示地热能梯级利用对于社区居民生活环境的改变，即利用较少的资源消耗量就能够满足居民生活要求并不会对环境造成破坏的目的，切实地提高居民生活质量。
5、运行环境（所需操作系统、硬件、软件等）
1.操作系统要求：Win7/Win10 均可运行，建议使用Win10 版本。 2.软件要求：(1)微软Office2003或以上版本都可以或WPS，建议使用office2016;(2)CINEMA-4DR19版本及以上，材质包见网盘内文件。 3.硬件要求：无特殊要求，配置较高即可。 4.单片机：STC89C51RC系列单片机；温度传感器：DS18B20单线数字温度传感器；步进电机：28BYJ-48步进电机及ULN2003驱动板
